IceCube Neutrino Observatorium

IceCube ist eine internationale Kollaboration, die das gleichnamige und zurzeit weltgrößte Neutrinoteleskop betreibt. Die Hauptaufgabe liegt in der Entdeckung und Untersuchung von galaktischen und extragalaktischen Quellen hochenergetischer, kosmischer Neutrinos. Daneben hat sich der Detektor aber auch als hervorragendes Instrument zur Suche nach Dunkler Materie (WIMPs), der genauen Vermessung von Oszillationen atmosphärischer Neutrinos, sowie der Untersuchung weiterer aktueller Fragestellungen der Teilchen- und Astroteilchenphysik bewährt. Mit dem Oberflächendetektor IceTop kann zudem das Spektrum und die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung im Energiebereich des sogenannten Knies bei 1015 eV vermessen werden.

Der Neutrinodetektor besteht aus 86 Strings, die mit jeweils 60 optischen Sensoren (Photomultipliern) bestückt sind, die ein Volumen von 1 km³ klaren Eises in Tiefen zwischen 1500 m und 2500 m am geographischen Südpol instrumentieren. Neutrinos werden indirekt über das Cherenkov-Licht rekonstruiert, das von geladenen Sekundärteilchen (z. B. Elektronen und Myonen) emittiert wird, die in Neutrinowechselwirkungen entstehen. Weitere Informationen zum Detektor, seiner Funktionsweise und der untersuchten Physik findet sich auf der IceCube Homepage.

Für den Detektor sind zwei Erweiterungen geplant, IceCube Upgrade ( Homepage) und IceCube-Gen2 (Homepage).

Unsere Gruppe ist in der Analyse der Daten vom Detektor engagiert, insbesondere im Hinblick auf der Suche nach Dunkler Materie. Außerdem ist unsere Gruppe federführend an den Hardware-Entwicklungen für die optischen Sensor beteiligt. Zudem arbeiten wir an Simulationen der optischen Sensoren, um ihre Eigenschaften genauer zu untersuchen und mit Messungen zu vergleichen.

IceCube Upgrade

Um die Effizienz des Detektors für kleine Energien ab 1GeV zu verbessern, wird IceCube um 7 Strings mit insgesamt 693 optischen Sensoren erweitert. Die Strings werden im zentralen Teil des IceCube Detektors in einer Tiefe von 2150m bis 2425m in einer dichten Konfiguration installiert, da bei niederenergetischen Events nur wenig Cherenkov-Licht erzeugt wird. Dabei werden zwei neu entwickelte optische Sensoren eingesetzt: das multi-PMT Optical Modul (mDOM) und den aus zwei PMTs bestehenden D-Egg Sensor. Insgesamt werden 402 mDOMs und 277 D-Eggs ins Eis eingelassen werden. Zentrale Themengebiete, die mit IceCube Upgrade untersucht werden, sind die Oszillationen atmosphärischer Neutrinos und die Unitarität der PMNS-Matrix. 

Unsere Arbeitsgruppe ist an dem Design, den Tests, der Simulation sowie der Produktion der mDOMs beteiligt. Das mDOM besteht aus insgesamt 24 3“ PMTs und bietet eine höhere effektive Sensorfläche sowieso eine bessere Richtungsauflösung als das bisheriger IceCube DOM.

IceCube-Gen2

IceCube-Gen2 zielt im Gegensatz zu IceCube Upgrade auf die Verbesserung der Leistungsfähigkeit von IceCube bei hohen Energien ab. Nach der erstmaligen Entdeckung von hochenergetischen kosmischen Neutrinos mit dem IceCube-Detektor im Jahr 2013, befindet sich nun ein Neutrinoteleskop der nächsten Generation am Südpol, IceCube-Gen2 (Homepage), in der Planungsphase. Dabei wird der Detektor um drei Bestandteile, nämlich das In-Ice Optical Array (orange), das Surface Air Shower Array und das Extended Radio Detector Array (lila) erweitert. Das In-Ice Optical Array wird den momentanen IceCube-Detektor (blau) mit etwa 120 zusätzlichen Strings umschließen, die jeweils mit bis zu 80 optischen Sensoren ausgestattet sind. Insgesamt wird so ein Volumen von 8 km³ instrumentiert. Die Hauptaufgabe ist die Erforschung des hochenergetischen Universums.

Unsere Gruppe ist an dem Design des Hauptsensors für das In-Ice Optical Array, LOM, beteiligt. LOM steht dabei für eLongated Optical Module und verbindet die Vorteile aus den beiden optischen Modulen von IceCube Upgrade, mDOM und D-Egg